2019 Fiscal Year Research-status Report
表面超強加工による高機能ナノ組織表層の創出とトライボロジー特性の向上
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19K04160
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| Research Institution | Fukui National College of Technology |
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Principal Investigator |
加藤 寛敬 福井工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (30311020)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 表面超強加工 / 結晶粒微細化 / ナノ組織 / 滑りバニシング / トライボロジー / 表面性状 / 耐摩耗性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、巨大ひずみの導入により組織超微細化が可能な滑りバニシング（Sliding Burnishing：SB）加工に着目し、その工具形状や加工条件が加工面の表面性状と生成した表層組織・硬さに及ぼす影響を調査して、平滑化と高硬度化の両立を実現する最適な条件を明らかにすること、さらに加工面のトライボロジー特性を評価して摩擦摩耗特性に優れた高機能表層を創出することである。
SB加工は、旋盤の主軸に取り付けた炭素鋼S45Cディスク試験片を回転させ、ばねを内蔵させたボール治具を刃物台に固定し、ディスク表面にボールをばね力で押しつけながら送りを与えて行った。工具であるボール材質には、耐摩耗性や耐凝着性の影響を見るため、超硬合金、Al2O3、Si3N4（直径6 mm）の3種類を用いた。加工条件として、押し付け荷重は500Ｎ一定として、回転速度（200～1200 rpm）、ボール送り速度（0.01～0.075 mm/rev）を変化させて無潤滑でSB加工を行い、加工面の粗さや組織・硬さに及ぼす影響を調査した。さらに、SB加工面におけるボールオンディスク摩耗試験を行い耐摩耗性について評価した。
その結果、Si3N4ボールの加工面が最も表面性状に優れていた。また、回転速度が速くなるほど、送り速度が遅くなるほど表面性状が良くなることがわかった。表面硬さについては、いずれのボール材質の場合で未加工材よりも高い硬さが得られ、特に超硬合金は最も高い硬度が得られた。SB加工面は、未加工材と比べていずれも飛躍的に耐摩耗性が向上し、摩耗深さは全てのボール材質において15分の1以下に低減されることがわかった。ボール材質Si3N4、回転速度1000 rpmまたは1200 rpm、送り速度0.01 mm/revの条件でSB加工した加工面が、表面性状、硬さ、耐摩耗性に総合的に優れていることを見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
SB加工の代表的な加工条件であるボール材質、ディスク回転速度、ボール送り速度が及ぼす加工面への影響について明らかにし、表面性状の向上と高硬度化の両立が可能な最適な加工条件を見出すことができた。また、SB加工により耐摩耗性が飛躍的に向上することも発見した。これらのことから、本課題で提案しているSB加工により、高機能ナノ組織を有する表層の生成とトライボロジー特性の向上の可能性があることを検証することができたので、順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
１年目の令和元年度では、SB加工の代表的な加工条件であるボール材質、ディスク回転速度、ボール送り速度が及ぼす加工面への影響について明らかにすることができたが、他の重要な加工条件であるボール形状（直径）、潤滑剤の有無、加工回数などの影響についても継続して調査を実施する。また、SB加工前の表面粗さの影響についても検討する。また、SB加工により表面粗さはRa0.2um程度まで低減するという結果が得られているが、実用化にはさらなる平滑化が必要である。その方策として、複数回SB加工を行いその加工条件を変えることを検討する。具体的には、例えば１回目では結晶粒微細化と高硬度化を主目的として無潤滑の高荷重でSB加工し、２回目では表面平滑化を主目的として潤滑下でSB加工を行うという方法で、工具材質も含めて加工条件の組み合わせの最適化を図る。さらに、加工面を研磨して使用するケースを考えられるので、研磨量が耐摩耗性に及ぼす影響についても検討する。
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| Causes of Carryover |
バニシング加工の代表的な加工条件であるボール材質、ディスク回転速度、ボール送り速度が及ぼす加工面への影響について明らかにし、表面性状の向上と高硬度化の両立が可能な加工条件を見出すことができたが、当初予定していた他の加工条件であるボール形状の影響についての実験ができなかった。その理由は、加工中にびびりと思われる振動が予想に反して発生し、その対策に手間取ったためである。なお、このびびりについては試験片固定用治具の改善により対策できたが、実験数が少なくなったために若干の次年度使用額が生じた。
翌年度には、当該年度請求分と合わせて、ボール形状に加えて他の重要な加工条件である加工前の表面粗さ、潤滑剤の有無、加工回数などの影響についての実験に使用する。具体的には、SB加工用ディスク試験片やSB加工用ボール工具に加えて、試験片洗浄用薬品、ボール研削砥石、切削油、さらに、SEM、TEMの電子顕微鏡組織観察用の試料作製のために用いる消耗品（切断カッター、研磨紙、硬化樹脂など）などに使用する。また、それらに加えて、SB加工面の摩擦摩耗試験を行うための雰囲気ガスや凝着力試験のための真空排気関係消耗品などにも使用する。
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